JP2006501652A - Crack resistant interconnect module - Google Patents
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Abstract
チップとボードに、対応するパッドを取付けるための接触パッドを画定するチップ取付け表面とボード取付け表面とを有する基板を含み、基板ボード表面が、少なくとも1つのチップコーナー近傍のチップ取付け表面領域を覆う少なくとも1つのソリッド面を含む積層フリップチップ相互接続パッケージ。一実施形態において、ソリッド面は誘電体材料を含み、任意で、はんだマスクまたはカバーレイ材料で覆われている。変形実施形態において、ソリッド面は金属を含み、任意で、はんだマスクまたはカバーレイ材料で覆われている。A substrate having a chip mounting surface and a board mounting surface defining contact pads for mounting corresponding pads on the chip and the board, wherein the substrate board surface covers at least one chip mounting surface area near the chip corner; A stacked flip chip interconnect package containing one solid surface. In one embodiment, the solid surface comprises a dielectric material and is optionally covered with a solder mask or coverlay material. In an alternative embodiment, the solid surface comprises metal and is optionally covered with a solder mask or coverlay material.
Description
本発明は、集積回路チップに用いる相互接続モジュールに関する。 The present invention relates to interconnect modules for use in integrated circuit chips.
多層相互接続モジュールは、集積回路チップを機械的に支持し、チップを印刷配線板に電気的に取付けるのに半導体業界で広く使われている。相互接続モジュールは、単一チップまたは多数のチップを支持するよう構成でき、一般的にSCM(シングルチップモジュール)またはMCM(マルチチップモジュール)という名称で呼ばれている。 Multilayer interconnect modules are widely used in the semiconductor industry to mechanically support integrated circuit chips and to electrically attach the chips to printed wiring boards. An interconnect module can be configured to support a single chip or multiple chips and is commonly referred to as SCM (single chip module) or MCM (multichip module).
相互接続モジュールは、集積回路チップを、印刷配線板にある信号線、電力線およびその他コンポーネントに電気的に結合する役目を果たす相互接続を与えるものである。特に、相互接続モジュールは、チップの高密度入出力(I/O)を印刷配線板の対応のI/Oへ再分配する相互接続を与える。電気的な相互接続に加えて、相互接続モジュールは、チップを印刷配線板に機械的に結合する役目も果たし、熱放散や環境保護といったその他の機能も果たす。 The interconnect module provides an interconnect that serves to electrically couple the integrated circuit chip to signal lines, power lines and other components on the printed wiring board. In particular, the interconnect module provides an interconnect that redistributes the high density input / output (I / O) of the chip to the corresponding I / O of the printed wiring board. In addition to electrical interconnection, the interconnection module also serves to mechanically couple the chip to the printed wiring board and performs other functions such as heat dissipation and environmental protection.
低熱膨張係数(CTE)(ケイ素について約2.6ppm/℃)の集積回路(IC)を、比較的高CTE(>15ppm/℃)の比較的薄い(<0.75mm)、従って可撓性のパッケージ基板と高温でボンディングした後、基板が低温まで冷やされるにつれて固有の引張り応力および歪がパッケージ内で生じる。これらのいくつかは、2つのコンポーネントのボンディングから直接生じるものである。かかるパッケージにおいて、特定の領域における応力や歪は、基板の誘電体および/または導電体材料にクラックを生じさせるレベルまで増大する。これは、破断による単一の低温への露出後または疲労による繰り返しの露出後に生じる恐れがある。 An integrated circuit (IC) with a low coefficient of thermal expansion (CTE) (about 2.6 ppm / ° C. for silicon) is relatively thin (<0.75 mm) with a relatively high CTE (> 15 ppm / ° C.) and is therefore flexible. After bonding to the package substrate at a high temperature, inherent tensile stresses and strains are generated in the package as the substrate is cooled to a low temperature. Some of these arise directly from the bonding of the two components. In such a package, the stress or strain in a particular area increases to a level that causes cracks in the dielectric and / or conductor material of the substrate. This can occur after a single low temperature exposure due to breakage or after repeated exposure due to fatigue.
この状況を改善するために、本発明によれば、相互接続モジュールに、単一構造を形成するために積層された複数の交互の誘電体と金属層を組み込む。積層相互接続構造には、チップと、印刷配線板と、相互接続モジュール内の様々な層との間に導電性相互接続経路を与える数多くのビアおよびパターン化信号層が組み込まれている。相互接続モジュールには、対応のパッドをはんだボールを介してチップとボードにそれぞれ取付けるための接触パッドを画定するチップ取付け面とボード取付け面とが含まれている。チップおよびPWBとの信頼性のある相互接続を促進する熱膨張係数(CTE)を示す様々な層を選択する。
本発明は、クラックを生じる傾向を減じた、あるいはクラックを生じさせる傾向のないフリップチップ集積回路(IC)パッケージを提供するものである。本発明のフリップチップパッケージは、少なくとも1つのソリッド面(Solid plane)を、集積回路(IC、「ダイ」とも呼ばれる)または「ダイシャドウ」の四隅の少なくとも1つの周囲に領域を含むパッケージのボールグリッドアレイ(BGA)側に有している。その面に覆われた領域のサイズと形状は、パッケージのその他の設計特徴に基づいて異なる。これらの面は、はんだマスクを用いて面のBGAパッドを画定することにより電力または接地接続として用いてよい。本発明の重要な態様は、ダイコーナー近傍の領域においてBGA側面に幾何学的不連続性のない領域を提供することである。 The present invention provides a flip chip integrated circuit (IC) package that has a reduced tendency to crack or is not prone to cracking. The flip chip package of the present invention includes a ball grid for a package that includes at least one solid plane and a region around at least one corner of an integrated circuit (IC, also referred to as “die”) or “die shadow”. It is on the array (BGA) side. The size and shape of the area covered by the surface will vary based on other design features of the package. These surfaces may be used as power or ground connections by using a solder mask to define the BGA pads on the surface. An important aspect of the present invention is to provide areas without geometric discontinuities on the BGA sides in the area near the die corner.
本発明の少なくとも一つの実施形態において、積層フリップチップ相互接続パッケージは、チップとボードに、対応するパッドを取付けるための接触パッドを画定するチップ取付け表面とボード取付け表面とを有する基板を含み、基板ボード表面が、チップコーナー近傍のチップ取付け表面領域を覆う少なくとも1つのソリッド面を含む。ソリッド面は誘電体材料を含み、任意で、はんだマスクまたはカバーレイ材料で覆われている。 In at least one embodiment of the present invention, a stacked flip chip interconnect package includes a substrate having a chip mounting surface and a board mounting surface defining contact pads for mounting corresponding pads on the chip and the board, The board surface includes at least one solid surface that covers a chip mounting surface area near the chip corner. The solid surface includes a dielectric material and is optionally covered with a solder mask or coverlay material.
本発明の少なくとも一つの実施形態において、フリップチップパッケージは少なくとも1つのソリッド面を含んでおり、チップコーナー近傍の領域は、任意ではんだマスクまたはカバーレイ材料で覆われた金属のソリッド面からなっている。 In at least one embodiment of the present invention, the flip chip package includes at least one solid surface, and the region near the chip corner is comprised of a solid metal surface optionally covered with a solder mask or coverlay material. Yes.
本発明の他の実施形態において、ソリッド面は、BGAパッドを画定する開口部を有するはんだマスク材料で覆われた金属ソリッド面を含んでいる。 In another embodiment of the present invention, the solid surface includes a metal solid surface covered with a solder mask material having openings defining BGA pads.
本発明のフリップチップICパッケージのその他の特徴は様々であるが、パッケージは比較的薄いままで可撓性があるのが望ましい。 While other features of the flip chip IC package of the present invention vary, it is desirable that the package remain relatively thin and flexible.
以下の用語は、本明細書で用いる場合次のような意味である。
1.本明細書で用いる「導電性」という用語は、電気を通すことを意味する。
2.「幾何学的不連続性」という用語は、材料の連続領域を中断する接触パッドや開口部のような特徴部(feature)のことを意味する。
3.本明細書で用いる「相互接続基板」という用語は、「パッケージ基板」、「可撓性パッケージ基板」、「剛性パッケージ基板」等という用語に相当する。
4.「ソリッド面」という用語は、幾何学的不連続性のない単一材料の領域を意味する。
The following terms have the following meanings as used herein.
1. As used herein, the term “conductive” means conducting electricity.
2. The term “geometric discontinuity” means a feature such as a contact pad or opening that interrupts a continuous region of material.
3. As used herein, the term “interconnect substrate” corresponds to the terms “package substrate”, “flexible package substrate”, “rigid package substrate”, and the like.
4). The term “solid surface” means a region of a single material without geometric discontinuities.
相互接続モジュール100には、図1に示すように、積層して、単一相互接続基板110(単一材料として図示)を形成する一連の交互の誘電体層と金属層を組み込んでもよい。積層相互接続基板110には、チップ120と、印刷配線板130と、相互接続モジュール内の様々な層との間に導電性相互接続経路を与える数多くのビアおよびパターン化信号層(図示せず)を組み込んでもよい。図3および4は、積層相互接続基板の詳細な概略図である。相互接続モジュールには、それぞれ、はんだボール128、138を介してチップとボードに、対応するパッドを取付けるための接触パッドを画定するチップ取付け表面125とボード取付け表面135とが含まれており、チップと相互接続基板、および相互接続基板と印刷配線板(PWB)の間に電気および機械接続を与える。様々な層は、チップおよびPWBとの信頼性のある相互接続を促進する熱膨張係数(CTE)を有するように選択する。相互接続モジュールはまた、接着剤145によりチップ取付け表面125の相互接続基板110にボンドされている剛化部材140も含んでおり、チップは剛化部材の中央に位置している。アンダフィル接着剤(underfill adhesive)170を相互接続基板110のチップ取付け表面125とチップの下部側の間に配置してもよく、こうするとチップ取付けはんだボール128が封入される。最後に、蓋アセンブリ150を追加の接着層155により剛化部材の上側にボンドしてもよい。熱導電性接着剤またはエラストマー160材料を、チップ120の上部表面と蓋アセンブリ150の間に介挿して、操作中にチップにより生成された熱を放散するのを補助することもできる。
低熱膨張係数(CTE)(ケイ素について約2.6ppm/℃)のICチップ120を、比較的高CTE(>15ppm/℃)の比較的薄い(<0.75mm)、従って可撓性のパッケージ基板110と高温でボンディングした後、基板が低温まで冷やされるにつれて大きな固有の引張り応力および歪がパッケージ内で生じる。これらの中には、2つのコンポーネントのボンディングから直接生じるものもあるが、直接固有応力または歪みに対応したパッケージ基板の可撓性が抑制または部分的に抑制される場合もある。かかる抑制は、リングや蓋アセンブリ150のようなパッケージ内で剛化部材140を用いるときに生じ得る。
An
かかるパッケージ基板において、特定の領域における応力や歪は、基板を構成している誘電体および/または導電体材料にクラックを生じさせるレベルまで増大する。これは、破断による単一の低温への露出後または疲労プロセスによる繰り返しの露出後に生じる恐れがある。 In such a package substrate, the stress or strain in a specific region increases to a level that causes cracks in the dielectric and / or conductor material constituting the substrate. This can occur after a single low temperature exposure due to breakage or after repeated exposure due to a fatigue process.
クラックは、+125℃〜−40℃または−55℃の間の熱サイクルで相互接続モジュールパーツの2つの領域に形成されることが分かっている。図2aおよび2bに、BGA相互接続モジュール200にクラックが形成される場所の位置を示す。図2bは、図2aの灰色円形領域の拡大図である。図は、ある相互接続モジュールについての基板のBGA側にあるはんだボールパッド240の配列を示している。第1の領域は、ダイコーナー210の直ぐ外側であり、ダイ220の端部は濃い線で示されており、極端な場合には、ダイの端部に沿って下まで続く。クラック230の存在は、ダイのコーナー近傍のはんだボールパッド240に示されている。
It has been found that cracks are formed in two regions of the interconnect module part with a thermal cycle between + 125 ° C. and −40 ° C. or −55 ° C. 2a and 2b show the location of where the crack is formed in the
実験によれば、典型的な疲労プロセスにより形成されたことが立証されている。クラックは、金属特徴部の端部から、最も一般的には金属層(図3の350、図4の金属層440)近傍の相互接続モジュールのBGA表面(図3の302、図4の402)のBGAパッド(図3の390、図4の490)で始まるのが分かった。クラックは、近接する金属および誘電体層(図3の345、365および366、図4の435、463および464)へと広がっていく。例えば、成長している誘電体クラックは、平面層の前に金属層で信号トレースと接触してトレースにクラックが走って電気的に接続しなくなる。クラックは、図3の金属電力面(340)または図4の金属「コア」面(430)のようなソリッド面に達するまで進んでいくことが多い。これらの面は、クラックを容易に広げる幾何学的不連続性を有していないため、「クラックストッパ」として作用する。誘電体材料を用いるとクラック停止面を形成することができるが、いくつかの誘電体材料と比べると銅は元々靭性が高いため、銅のような金属が好ましい。
Experiments have demonstrated that it was formed by a typical fatigue process. Cracks occur from the edge of the metal feature, most commonly the BGA surface of the interconnect module (350 in FIG. 3,
図3は、本発明と組み合わせて用いることのできる相互接続基板の一部の概略図である。図3に、交互に金属層(320(パッドおよび/または面)、325(信号)、330(電力または接地)、335(コア)、340(電力または接地)、345(信号)および350(パッドおよび/または面)および誘電体層(361、362、363、364、365および366)を積層することにより製造された7枚の相互接続基板300を示す。図3に示す金属および誘電体層は、コア金属層335の周囲に対称に配置されている。すなわち、コア層335の片側に形成された各誘電体または金属層は、コア層の逆側に形成された同じ材料の対応の層を有している。
FIG. 3 is a schematic diagram of a portion of an interconnect substrate that can be used in conjunction with the present invention. FIG. 3 shows alternating metal layers (320 (pad and / or surface), 325 (signal), 330 (power or ground), 335 (core), 340 (power or ground), 345 (signal) and 350 (pad). And / or surface) and seven
図3にさらに示す通り、第1のビア380は、金属層320から誘電体層361を通して延在しており、金属層325で終わっている。第2のビア375は金属層325で始まり、誘電体層362、363、364および365を通して延在しており、金属層345で終わっている。第3のビア370は、金属層345から誘電体層366を通して延在しており、金属層350で終わっている。各ビア370、375、380に、超小型電子製造業界で周知である蒸着技術を用いて導電性材料でめっきする。あるいは、各ビア370、375、380を導電性材料で充填して、導電性経路を画定する。当業者であれば、ブラインドビア、埋め込みビアおよびスルービアをはじめとするビアの組み合わせを用いて、ダイ取付け表面304のボンドパッド357とBGA取付け表面302のボンドパッド390の間に電気接続を与えることができることが分かるであろう。
As further shown in FIG. 3, the first via 380 extends from the
はんだマスク310、315をチップ取付け表面304およびBGA取付け表面302に適用することができる。はんだマスクは、一般的に、充填エポキシ材料で作成されている。各はんだマスク310、315は、各ビア370、375、380に近接する接触またはボンドパッドを露出させる。例えば、はんだマスク310は接触パッド357を露出させ、はんだマスク315は接触パッド390を露出させる。チップに関連してはんだボール355を、接触パッド357と位置合せして、加熱し、リフローすると、接触パッドと電気および機械ボンドを形成することができる。同様に、ボンドに関連してはんだボール(図示せず)を、接触パッド390と位置合せして、加熱し、リフローすると、接触パッドとPWBの間に電気および機械ボンドを形成することができる。
Solder masks 310, 315 can be applied to the
誘電体層361、362、363、364、365および366は、フィラーを含む、または含まない、ポリイミドとポリイミドの積層体、エポキシ樹脂、液晶ポリマー、有機材料、または少なくとも一部がポリテトラフルオロエチレンから構成される誘電体材料のような高温有機誘電体基板材料の積層体から形成してよい。一実施形態において、誘電体層361、362、363、364、365および366は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のような有機材料、特に、膨張PTFEまたはシアネートエステルおよびエポキシを含浸した「ePTFE」で作成されている。PTFE材料は、特に、混合シアネートエステル−エポキシ接着剤および無機フィラーを含有する膨張ポリテトラフルオロエチレンマトリックスであってもよい。
The
金属層320、325、330、335、340、345および350は銅から形成されていてもよい。その他の好適な材料は、アルミニウム、金または銀等を用いることもできる。本実施例において、金属層320、325、330、340、345および350はそれぞれ約5〜14ミクロンの範囲の厚さを有している。一実施例において、各金属層320、325、330、345および350の厚さは約12ミクロンである。コア金属層335の厚さは約5〜50ミクロンの範囲である。誘電体層361、362、363、364、365および366の厚さはそれぞれ約20〜70ミクロンの範囲である。一実施例において、各誘電体361、362、363、364、365および366層の厚さは約36ミクロンである。
Metal layers 320, 325, 330, 335, 340, 345 and 350 may be formed from copper. Other suitable materials may be aluminum, gold, silver, or the like. In this example,
相互接続基板300の様々な層を熱および圧力を用いてスタックして積層することができる。例えば、全ての層を同時にスタックへと積層することができる。あるいは、層は、一度に金属コア層335に構築したり、各積層工程で追加される1または2枚の追加の層により徐々に構築することができる。積層中、誘電体層361、362、363、364、365および366を溶融およびフローすると、モノリシックバルク誘電体材料360が得られる。
Various layers of the
スルービアは、相互接続基板300の積層に続いて形成することができる。特に、ビアは、例えば、米国特許第6,021,564号明細書に記載された通り、ドリル加工またはレーザーアブレーションプロセスにより形成することができる。積層後、はんだマスク310および315を相互接続基板300に追加する。はんだマスク310および315をパターン化して、それぞれチップ355およびPWB(図示せず)からはんだボールを受ける接触パッド357、390を画定する。
The through via can be formed following the stacking of the
図4は、本発明と組み合わせて用いることのできる相互接続基板の一部の概略図である。図4に、交互の一連の金属層(420、425、430(コア)、435、440)および誘電体層(461、462、463、464)を積層することにより製造された5層相互接続基板400を示す。図4に示す金属および誘電体層は、コア金属層430の周囲に対称に配置されている。すなわち、コア層430の片側に形成された各誘電体または金属層は、コア層の逆側に形成された同じ材料の対応の層を有している。
FIG. 4 is a schematic diagram of a portion of an interconnect substrate that can be used in conjunction with the present invention. FIG. 4 shows a five-layer interconnect substrate manufactured by stacking alternating series of metal layers (420, 425, 430 (core), 435, 440) and dielectric layers (461, 462, 463, 464). 400 is shown. The metal and dielectric layers shown in FIG. 4 are arranged symmetrically around the
図4にさらに示す通り、第1のビア480は、金属層420から誘電体層461を通して延在しており、金属層425で終わっている。第2のビア475は金属層425で始まり、誘電体層462、463を通して延在しており、金属層435で終わっている。第3のビア470は、金属層435から誘電体層464を通して延在しており、金属層440で終わっている。各ビア470、475、480に、超小型電子製造業界で周知である蒸着技術を用いて導電性材料でめっきする。あるいは、各ビア470、475、480に導電性材料を充填して導電性経路を画定する。当業者であれば、ブラインドビア、埋め込みビアおよびスルービアをはじめとするビアの組み合わせを用いて、ダイ取付け表面404のボンドパッド457とBGA取付け表面402のボンドパッド490の間に電気接続を与えることができることが分かるであろう。
As further shown in FIG. 4, the first via 480 extends from the
はんだマスク410、415は、チップ取付け表面404およびBGA取付け表面402に適用することができる。各はんだマスク410、415は、各ビア470、480に近接する接触またはボンドパッドを露出させる。例えば、はんだマスク410は接触パッド457を露出させ、はんだマスク415は接触パッド490を露出させる。チップに関連してはんだボール455を、接触パッド457と位置合せして、加熱し、リフローすると、接触パッドと電気および機械ボンドを形成することができる。同様に、ボンドに関連してはんだボール(図示せず)を、接触パッド490と位置合せして、加熱し、リフローすると、接触パッドとPWBの間に電気および機械ボンドを形成することができる。
Solder masks 410, 415 can be applied to chip mounting
誘電体層461、462、463、464は、フィラーを含む、または含まない、ポリイミドおよびポリイミド積層体、エポキシ樹脂、液晶ポリマー、有機材料、または少なくとも一部がポリテトラフルオロエチレンから構成される誘電体材料のような高温有機誘電体基板材料の積層体から形成してよい。一実施形態において、誘電体層461、462、463、464は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のような有機材料、特に、膨張PTFEまたはシアネートエステルおよびエポキシを含浸した「ePTFE」で作成されている。PTFE材料は、特に、混合シアネートエステル−エポキシ接着剤および無機フィラーを含有する膨張ポリテトラフルオロエチレンマトリックスであってもよい。
The
金属層420、425、430、435、440は銅から形成されていてもよい。その他の好適な材料は、アルミニウム、金または銀等を用いることもできる。本実施例において、金属層420、425、430、440はそれぞれ約5〜14ミクロンの範囲の厚さを有している。一実施例において、各金属層420、425、435および440の厚さは約12ミクロンである。コア金属層430の厚さは約5〜50ミクロンの範囲である。誘電体層461、462、463、464の厚さはそれぞれ約20〜70ミクロンの範囲である。一実施例において、各誘電体461、462、463、464層の厚さは約36ミクロンである。
The metal layers 420, 425, 430, 435, and 440 may be made of copper. Other suitable materials may be aluminum, gold, silver, or the like. In this embodiment, the metal layers 420, 425, 430, 440 each have a thickness in the range of about 5-14 microns. In one example, the thickness of each
相互接続基板400の様々な層を熱および圧力を用いてスタックして積層することができる。例えば、全ての層を同時にスタックへと積層することができる。あるいは、層は、一度に金属コア層430に構築したり、各積層工程で追加される1または2枚の追加の層により徐々に構築することができる。積層中、誘電体層461、462、463、464は溶融およびフローして、モノリシックバルク誘電体材料460が得られる。
Various layers of the
スルービアは、相互接続基板400の積層に続いて形成することができる。特に、ビアは、例えば、米国特許第6,021,564号明細書に記載された通り、ドリル加工またはレーザーアブレーションプロセスにより形成することができる。積層後、はんだマスク410および415を相互接続基板400に追加する。はんだマスク410および415をパターン化して、それぞれチップ455およびPWB(図示せず)からはんだボールを受ける接触パッド457、490を画定する。
The through via can be formed following the stacking of the
相互接続基板300または400は、「フリップチップ」集積回路を受け入れることができる。フリップチップ装着では、はんだボールをダイ(例えば、チップ)に置き、チップを裏返し、チップを相互接続基板300または400のような基板の接触パッドと位置合せし、はんだボールを炉内でリフローして、チップと基板の間にボンディングを作成する。このやり方だと、接触パッドは、ワイヤボンディングやテープ自動化ボンディング(TAB)技術のように周囲に限定されず、全チップ表面を覆うように分散される。その結果、I/Oおよび利用可能な電力/接地端子の最大数が増大し、信号および電力/接地相互接続は、チップにより有効になされる。
The
当業者であれば、上記の実施形態を反映する種類の相互接続基板は、埋め込みキャパシタ層、金属層、誘電体層等をはじめとする追加の層を含有してもよいことが分かるはずである。最終相互接続モジュールの要件に応じて誘電体および金属層の少ない相互接続基板を製造することも可能である。 One skilled in the art will appreciate that the types of interconnect substrates that reflect the above embodiments may contain additional layers including embedded capacitor layers, metal layers, dielectric layers, and the like. . Depending on the requirements of the final interconnect module, it is also possible to produce interconnect substrates with fewer dielectric and metal layers.
ダイコーナーのクラックは、剛性のリングおよび/または蓋により課される機械的制約から主に形成される。図5aに示すように、アセンブリプロセス中様々な接着材料をゲル化および硬化するのに用いるのに近い高温で、組み立てたモジュール500aはたいてい応力のない状態にある。しかしながら、図5bに示すように、低温まで冷やすと、ダイ510bと組立てモジュール500bのその他のコンポーネントの間、特にダイと相互接続基板520bの間のCTEに不一致があると、パッケージが下方に凹の形状となる。しかしながら、剛性のリング530は、これを防ぎ、その代わりに、覆う基板の領域を平らな形状に保持する。ダイの下にある領域の下方への凹断面と、剛性のリングの広く平らな断面の間の変わり目には、図5bに概略を示すようにダイと剛性リングの間にギャップが生じる。短い距離の形状のこの変化により、基板のBGA側540では引張り曲げ歪が生成される。x方向とy方向の両方に同じ曲率があるため、ダイコーナー550近傍領域にはこのことは特に当てはまる。
Die corner cracks are primarily formed from mechanical constraints imposed by rigid rings and / or lids. As shown in FIG. 5a, the assembled
形状変化が急であればあるほど、ダイコーナーに、そしてダイ510と補強材リング530の間のギャップ560に存在する歪が多くなる。逆に、形状の変化が徐々に起こると、歪は減少する。従って、問題を軽減するために採ることのできる一つのやり方は、ダイと補強材リングの間の間隔を広げることである。ダイと補強材リングの間の間隔が広くなればなるほど、限界歪が低くなる。限界歪みが低くなると、より小さなソリッド面領域を用いることができる。 The sharper the change in shape, the more strain is present at the die corner and in the gap 560 between the die 510 and the stiffener ring 530. Conversely, as the shape changes gradually, the distortion decreases. Thus, one approach that can be taken to alleviate the problem is to increase the spacing between the die and the reinforcement ring. The wider the distance between the die and the reinforcement ring, the lower the critical strain. Smaller solid surface areas can be used when the critical strain is lower.
例えば、デラウェア州ニューアークのW.L.ゴア・アンド・アソシエーツ(W.L. Gore and Assoc.,Newark,DE)よりマイクロラム(MICROLAM)という商品名で入手可能な膨張ポリテトラフルオロエチレン誘電体材料を用いた基板の場合は、この限界歪を計算するためにマイクロラム(MICROLAM)誘電体の機械的特性を考慮しなければならない。第1に、マイクロラム(MICROLAM)の曲げ破断歪を測定したところ0.47%±0.15%であった。第2に、マイクロラム(MICROLAM)の破壊靭性を測定し、図6に温度の関数として示してある。最後に、材料の疲労特性を測定した。図7に示してある。 For example, in W. Newark, Delaware. L. In the case of a substrate using an expanded polytetrafluoroethylene dielectric material available under the trade name MICROLAM from WL Gore and Associates, Newark, DE. In order to calculate the strain, the mechanical properties of the MICROLAM dielectric must be considered. First, the bending fracture strain of microram was measured and found to be 0.47% ± 0.15%. Second, the microtram fracture toughness was measured and is shown as a function of temperature in FIG. Finally, the fatigue properties of the material were measured. It is shown in FIG.
データによれば、応力強さへのべき法則依存が示されている。
エレクトロニクス業界で必要とされる保存サイクル対不合格要件は10000サイクルである。図7より、KI/KIC比は約0.7となる。KI∝σ1∝ε1(等方性均一材料について)を実現するには、局所歪を破断歪の0.7未満または0.33%に維持しなければならない。 The storage cycle versus failure requirement required in the electronics industry is 10,000 cycles. From FIG. 7, the K I / K IC ratio is about 0.7. In order to achieve K I 1σ 1 ∝ε 1 (for isotropic homogeneous materials), the local strain must be kept below 0.7 or 0.33% of the breaking strain.
図8に、7枚の金属層パッケージ基板の9mm×9mm片の詳細な有限要素モデルを示す。図8のモデルに均一な二軸歪を与えたときの、単一BGAパッド周囲のBGA側誘電体における応力を図9に示す。高歪の領域は、白色リング1010により示されるように、BGAパッド1000の端部のすぐ周囲に存在している。図10に、この高応力領域の局所化度を示す。高応力または歪の領域は、僅か、幅約75μm、深さ約25μmである。この領域の高応力または歪の規模は、公称応力または歪の約2倍である。
FIG. 8 shows a detailed finite element model of 9 mm × 9 mm pieces of seven metal layer package substrates. FIG. 9 shows the stress in the BGA side dielectric around a single BGA pad when uniform biaxial strain is applied to the model of FIG. A region of high strain exists immediately around the edge of the
ダイコーナー領域のマイクロラム(MICROLAM)誘電体材料のクラックは、0.17%未満の公称歪を維持することにより排除できることが分かっており、ダイコーナークラック問題の可能な解決策を与えることができる。しかしながら、BGAパッドまたはその他の幾何学的不連続性により生じた歪濃度が存在しない場合には、熱サイクル中クラックを形成することなく公称応力を0.34%と高くさせることができる。 It has been found that cracks in MICROLAM dielectric material in the die corner region can be eliminated by maintaining a nominal strain of less than 0.17%, which can provide a possible solution to the die corner crack problem. . However, in the absence of strain concentrations caused by BGA pads or other geometric discontinuities, the nominal stress can be as high as 0.34% without forming cracks during thermal cycling.
本発明によれば、ダイコーナー近傍の領域においてBGA取付け面に幾何学的に不連続でない領域が提供される。これは、1つ以上のダイコーナー近傍のBGA取付け表面領域が、任意で、はんだマスクやカバーレイ材料のソリッド層で覆われた誘電体材料のソリッド面からなる実施形態によりなされる。 According to the present invention, a region that is not geometrically discontinuous on the BGA mounting surface in the region near the die corner is provided. This is done according to embodiments where the BGA mounting surface area near one or more die corners optionally comprises a solid surface of dielectric material covered with a solid layer of solder mask or coverlay material.
他の実施形態において、1つ以上のダイコーナー近傍の領域は、任意で、はんだマスクやカバーレイ材料のソリッド層で覆われた金属のソリッド面からなる。 In other embodiments, the region near the one or more die corners optionally comprises a solid surface of metal covered with a solid layer of solder mask or coverlay material.
さらに他の実施形態において、1つ以上のダイコーナー近傍の領域は、BGAパッドを画定するために形成される開口部を有するはんだマスクで覆われた金属のソリッド面からなる。本実施形態は、領域を機能性としながら、ダイコーナー近傍のソリッド面領域の利点を与えるものである。たいていの金属はたいていの誘電体材料に比べて高い強度と延性を有しているため、誘電体面よりも金属面を用いるのがより望ましい。カバーはんだマスクの開口部に金属面を用いると望ましい。この理由は、第1に、パッド位置のいくつかを用いて、PWBに機械的な相互接続(より高い剛性および支持)を形成できるためである。第2に、金属面に結合されたこれらのパッド位置を用いて電力または接地への電気的接続を作成することができ、有益なI/O接続の完全な損失が排除されるからである。これによって、パッケージの寸法の増大、およびメーカーとユーザの両方にとって最終的なコストの増大を排除するのに役立つ。 In yet another embodiment, the region near the one or more die corners consists of a solid metal surface covered with a solder mask having openings formed to define the BGA pads. This embodiment provides the advantages of a solid surface area near the die corner while making the area functional. Because most metals have higher strength and ductility than most dielectric materials, it is more desirable to use a metal surface than a dielectric surface. It is desirable to use a metal surface for the opening of the cover solder mask. This is primarily because some of the pad locations can be used to form mechanical interconnects (higher stiffness and support) in the PWB. Second, these pad locations bonded to the metal surface can be used to make electrical connections to power or ground, eliminating the complete loss of beneficial I / O connections. This helps to eliminate the increased package dimensions and the ultimate cost for both manufacturers and users.
ソリッド面の側面寸法は、ダイサイズおよび厚さ、基板厚さ、誘電体材料特性、補強材厚さおよび材料、ダイ−補強材ギャップ、蓋厚さおよび材料、アンダフィル特性(モジュラス、ガラス遷移温度、ゲル温度等)等に応じて異なる。 The dimensions of the solid surface are: die size and thickness, substrate thickness, dielectric material properties, reinforcement thickness and material, die-reinforcement gap, lid thickness and material, underfill properties (modulus, glass transition temperature , Gel temperature, etc.).
有限要素モデルを用いて、ソリッド面の適正なサイズを求めることができる。図11に、18.5mmのダイおよび1.0mmの厚さの蓋を備え、ダイ−補強材間隔(3mm(図11a、5mm(図11b)および7mm(図11c))を有する40mm平方のパッケージのモデルからの結果を示す。高歪領域1210は、クラックが生じる限界歪みより歪みの大きいダイコーナー1200近傍にある。本明細書に記載された本発明の態様によれば、最終相互接続モジュールの組立て、試験または使用中に、幾何学的不連続性によってクラックが生じる場合に、ソリッド面の領域を調整したり、位置を決めることができる。ソリッド面の端部は、高歪み領域を超えて延在しているのが好ましい。というのは、ソリッド面の端部自身が不連続で、限界歪みを超えるとクラックを生じ始めるからである。この特定の分析のために、限界歪みレベルは、マイクロラム(MICROLAM)誘電体材料についての実験破壊歪みの95%信頼区間の1/3、すなわち0.11%に等しい値に設定した。
An appropriate size of the solid surface can be obtained using a finite element model. FIG. 11 shows a 40 mm square package with a die-reinforcer spacing (3 mm (FIGS. 11a, 5 mm (FIG. 11b) and 7 mm (FIG. 11c)) with a 18.5 mm die and a 1.0 mm thick lid. The
図11a〜11cから分かる通り、ダイ−補強材ギャップが増大すると、必要な面の領域はかなり収縮する。本明細書に記載した本発明の態様によれば、一般設計規則を作成することができ、各設計について、完全な詳細の有限要素モデルの必要性が減じるためこれらICパッケージの設計が簡素化される。 As can be seen from FIGS. 11a-11c, as the die-stiffener gap increases, the required surface area shrinks considerably. The aspects of the invention described herein allow the creation of general design rules, simplifying the design of these IC packages by reducing the need for a complete detailed finite element model for each design. The
少なくとも1つの実施形態において、金属面をBGAパッド層の1つ以上のダイコーナー(例えば、図3の金属層350、または、例えば、図4の金属層440)に配置する。各金属面は、以下の式により定義されるサイズおよび形状の楕円領域と接触する全BGAパッドを含んでいる。
a、bおよびdの値は、以下の表に示すようにダイと補強材リング(図12のS)の間の間隔により変わる。 The values of a, b and d vary with the spacing between the die and the reinforcement ring (S in FIG. 12) as shown in the table below.
実際に適用する際は、ダイコーナーがBGAパッド位置と一致している場合には、ソリッド面はダイ端部およびダイの下の一列を超えて少なくとも2列のBGAに等しい距離延在していなければならない。 In practical application, if the die corner coincides with the BGA pad position, the solid surface must extend at a distance equal to at least two rows of BGA beyond the die end and one row under the die. I must.
図13aに、ダイ端部1320の交点で形成されたダイコーナー1310近傍のBGAパッド層領域を覆うソリッド面の実施形態を示す。本実施形態において、ソリッド面は、ダイコーナーおよびその周囲にBGAパッド層のパターン化されていない領域1330(すなわち、はんだボールパッド1340のない)を提供することにより形成されている。
FIG. 13 a shows an embodiment of a solid surface covering the BGA pad layer region near the
図13bに、図13aに示したのと同様の他の実施形態を示す。しかしながら、図13bにおいては、パターン化されていない領域1330は、チャネル1335によりBGAパッド層の残りからは物理的に分離されている。チャネル1335は、BGAパッド層から材料を除去する、または材料形成BGAパッド層が蒸着されるときにチャネルをマスキングすることにより形成される。
FIG. 13b shows another embodiment similar to that shown in FIG. 13a. However, in FIG. 13b, the
ソリッド面はまた、パターン化されていない材料の層を1つ以上のダイコーナーおよびその周囲でBGAパッド層(BGAパッド層がパターン化されていてもいなくても)に加えることによっても形成される。追加の層は、ダイの下で延在しても、ダイコーナーおよびダイ端部の近接部分に隣接していてもよい。層は金属または誘電体材料である。 Solid surfaces are also formed by adding a layer of unpatterned material to one or more die corners and surrounding BGA pad layers (whether or not the BGA pad layers are patterned). . Additional layers may extend under the die or may be adjacent to the die corners and adjacent portions of the die ends. The layer is a metal or dielectric material.
上述した金属面を組み込んだもの(パッケージA)と組み込まなかったもの(パッケージB)の2つのパッケージを設計、製造および組み立てた。クラック減少特徴以外は、それらは同一であった。両者共10.6mm×12.0mmのダイと7枚の金属層基板を用いた。両者の内部回路は同一であったが、パッケージAのBGA側金属層レイアウトには上述した通りに設計したダイコーナーに金属面を用いたが、パッケージBにはなかった。さらに、パッケージAには、ダイ補強材ギャップ6.6mm×6.9mmを与える大きな開口部と、厚さ0.5mmの蓋を備えた補強材を用いた。パッケージBには、2.8mm×3.5mmのダイ−補強材ギャップを与える開口部および厚さ1.0mmの蓋を備えた補強材を用いた。このように、パッケージAには本発明の4つの金属面を用いたが、パッケージBには用いなかった。 Two packages were built, packaged and assembled (package A) and not packaged (package B). They were identical except for the crack reduction feature. Both used a 10.6 mm × 12.0 mm die and seven metal layer substrates. Although both internal circuits were the same, the metal surface was used for the die corner designed as described above in the BGA side metal layer layout of package A, but package B did not. Further, for package A, a reinforcing material provided with a large opening for providing a die reinforcing material gap of 6.6 mm × 6.9 mm and a lid having a thickness of 0.5 mm was used. For package B, a reinforcing material provided with an opening for providing a die-reinforcing material gap of 2.8 mm × 3.5 mm and a lid having a thickness of 1.0 mm was used. Thus, the four metal surfaces of the present invention were used for package A, but not for package B.
両パッケージの試料を同じ組立て手順書を用いてダイと共に組み立てた。組立て後、125℃〜55℃で1500サイクルの熱サイクルを試料に施した。熱サイクル後、パッケージAは、調べた35個の試料についてBGA側誘電体にクラックを示さなかった。一方、パッケージBでは35個の試料中9個にダイコーナーのクラックが目視された。 Samples from both packages were assembled with the die using the same assembly procedure. After assembly, the sample was subjected to 1500 cycles of heat cycle at 125-55 ° C. After thermal cycling, Package A showed no cracks in the BGA side dielectric for the 35 samples examined. On the other hand, in package B, cracks in the die corner were visually observed in 9 out of 35 samples.
本発明の様々な実施形態について説明してきたが、これらおよびその他の実施形態は添付の特許請求の範囲に含まれる。例えば、本明細書に記載した本発明の実施形態は、以下の米国特許第に記載された追加の構造またはプロセスのいずれかと組み合わせて用いてもよい。米国特許第5,888,630号明細書、米国特許第6,018,196号明細書、米国特許第5,983,974号明細書、米国特許第5,836,063号明細書、米国特許第5,731,047号明細書、米国特許第5,841,075号明細書、米国特許第5,868,950号明細書、米国特許第5,888,631号明細書、米国特許第5,900,312号明細書、米国特許第6,011,697号明細書、米国特許第6,021,564号明細書、米国特許第6,103,992号明細書、米国特許第6,127,250号明細書、米国特許第6,143,401号明細書、米国特許第6,183,592号明細書、米国特許第6,203,891号明細書および米国特許第6,248,959号明細書。 While various embodiments of the invention have been described, these and other embodiments are within the scope of the appended claims. For example, the embodiments of the invention described herein may be used in combination with any of the additional structures or processes described in the following US patents. US Pat. No. 5,888,630, US Pat. No. 6,018,196, US Pat. No. 5,983,974, US Pat. No. 5,836,063, US Pat. US Pat. No. 5,731,047, US Pat. No. 5,841,075, US Pat. No. 5,868,950, US Pat. No. 5,888,631, US Pat. , 900, 312, U.S. Patent 6,011,697, U.S. Patent 6,021,564, U.S. Patent 6,103,992, U.S. Patent 6,127. , 250, U.S. Patent 6,143,401, U.S. Patent 6,183,592, U.S. Patent 6,203,891 and U.S. Patent 6,248,959. Issue statement.
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The stacked flip chip interconnect package of claim 4, wherein the solder mask has a plurality of openings defining a ball grid array pad.
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